Intuice k funkcím, proměnné a kompilátory

Odpřednášena v úterý 8. 9.

Byl zde zadán #U2

Během druhé přednášky jsme si ukázali, jak nám proměnné mohou pomoct vyhnout se opakovanému psaní kódu a jak celý náš program mohou udělat čitejnějším. Na konci jsme se seznámili s pojmy kompilátor a interpreter. Přednáška byla vedena podle čtvrté kapitoly knihy PAPL.

Shrnutí pojmů

Následující pojmy by bylo fajn si zapamatovat. Pokud vám nějaký z nich není jasný, nezoufejte — mrkněte na text níže, zeptejte se kamaráda, nebo mi napište. Všechny je navíc budeme opakovat v následujících hodinách, abyste si pro ně vybudovali intuici.

  • proměnná (variable)
  • funkce, vstupy, výstup, kontrakty, typ funkce
  • expression, statement a rozdíl mezi nimi
  • kompilátor, interpreter a rozdíl mezi nimi

A z předešlých hodin mimo jiné:

  • String, Number, Image (datové typy)

Funkce (úvod)

Funkce si v detailu popíšeme ve třetí přednášce.

Věcem jako circle a overlay, se kterými jsme už pracovali minule, se říká funkce. Funkce si můžete představit jako krabice, do kterých zleva vedou nějaké vstupní trubky (vstupy) a zprava vychází jedna výstupní trubka (výstup).

Například funkce circle potřebovala k vytvoření kruhu tři věci:

  1. jeho poloměr, což bylo číslo, kterému můžeme říkat například radius
  2. informaci o tom, jak má být vybarvený, což byl string, který můžeme nazvat nazvat třeba mode
  3. jeho barvu, což byl rovněž string, kterému by se mohlo říkat kupříkladu color

Můžeme si tedy circle představit jako krabici, do které vedou trubky radius, mode a color, které po řadě očekávají, že dostanou číslo, string a string. Celé circle, pokud mu dodáme tyto tři parametry, potom vrátí obrázek. Tato skutečnost se dá zapsat jako:

circle(
  radius :: Number,
  mode :: String,
  color :: String) -> Image

Povšimněte si části za závorkou, -> Image, která značí, že výsledkem volání circle je obrázek.

Označení výše se někdy říká kontrakt nebo typ funkce circle; pokud jej nesplníme (např. pokud do druhé vstupní trubky pošleme číslo místo stringu), circle nebude fungovat.

Řetězení funkcí

Typy vstupů a výstupů nám tedy značí to, co musíme do funkcí dávat, aby dělaly, co mají. Je z nich ale možné vykoukat i to, jak můžeme jednotlivé funkce napojovat na sebe. Například funkce overlay má typ

overlay(image1 :: Image, image2 :: Image) -> Image,

tedy očekává na vstupu dva obrázky a sama vrací obázek. Protože circle a rectangle vrací obrázky, můžeme je následujícím způsobem vnořit do funkce overlay:

overlay(circle(10, 'solid', 'red'), rectangle(200, 100, 'solid', 'white'));

Pokud se vrátíme k modelu funkce = krabice s trubkami, můžeme si představit, že napojujeme výstupní trubky vedoucí z circle a rectangle na vstupní trubky funkce overlay.

Proměnné

Pomocí syntaxe

NAME = EXPRESSION

můžeme v Pyretu vytvořit novou proměnnou (variable). Pyret spustí EXPRESSION a její výsledek uloží pod jméno NAME a pokud se dále v programu vyskytne NAME, nahradí jej uloženým výsledkem. Například

>>> x = 10 + 20 # do x se uloží 30
>>> y = x * 8 # za x se dosadí 30, do y se uloží 240
>>> y # y má hodnotu 240
30

Proměnné vám mohou pomoci zbavit se často opakovaného kousku kódu, a navíc dělají váš program čitelnějším.

Kouskům kódu za # se říká komentáře a Pyret je ignoruje. Slouží k popisu kódu, buďto pro vás, nebo pro ostatní programátory, kteří váš kód budou číst.

Code style

Koncept proměnných existuje v každém běžném programovacím jazyce, liší se ale způsb, jakým se proměnné pojmenovávají — respektive, jak se v rámci jména proměnné oddělují jednotlivá slova. Tři základní typy oddělování jsou

thisIsCamelCase (Java, C, C#, Haskell, ...)
this_is_snake_case (Python)
this-is-kebab-case (Pyret, LISP)

Jména všech proměnných, a stejně tak komentáře, se navíc podle konvence píší v angličtině (a to už je společné všem programovacím jazykům). Každý jazyk má navíc další stylistické zvyklosti, které dodržuje většina programátorů, kteří ho používají — většinou je lze najít na Google pod "JAZYK style guide". Style guide Pyretu je na tomto odkazu.

Pokud se rozhodnete porušit konvenci a psát jména proměnných jinak, než je v daném jazyce zvykem, popřípadě je budete psát v češtině, váš kód sice bude fungovat, ale bude vypadat divně; v každém programu totiž budete používat knihovny (např. image), které psali programátoři, kteří konvence dodržovali, takže váš kód bude amalgamem různých stylů:

moje_promena =
  circle(
    spocitejRadius(...),
    "solid",
    vrat_barvu(color-from-rgb(10, 20, 30)))
Odchýlení od konvencí v rámci úkolů a projektů nebudu brát jako chybu (míněno, nebudu vám strhávat body), ale budu vám vaše úkoly vracet k opravě, než vám body zapíšu.

Statementy

Zatímco expression je část kódu, která když se spustí, vydá výsledek, statement je kus kódu, který po spuštení žádný výsledek nevrátí. Definice proměnné [...] = [...] je statement, což lze ověřit spuštěním

>>> x = 10 + 20
* nic *

Definitions window

Zatímco v pravé části stránky, kde spouštíme programy — tzv. Interactions window — je možné rovnou psát krátké programy a spoustět je, levá část se chová jako běžný textový editor. Říká se jí Definitions window a slouží primárně k definování věcí, se kterými budeme v pravé části dále pracovat (např. je testovat atp).

V Definitions window lze nicméně také provádět běžné výpočty, jen je třeba počítat s tím, že se nespustí hned po stistknutí ENTER, ale že obsah je třeba je spustit tlačítkem RUN vpravo nahoře.

Jak funguje spouštění programů

Doporučuji skvělé video na toto téma: How do computers read code?. Má 12 minut a obsahuje všechny informace níže.

Neumím assembler ani nevím, jak přesně CPU interpreture binární kódy, talže všechny příklady jsou pouze ilustativní

Procesory v počítači nerozumí Pyretu, ani jinému běžnému jazyku; umí provádět jen omezenou množinu příkazů zadaných v binárním kódu — konkrétně to jsou příkazy jako "zapiš číslo X na adresu Y", "přičti číslo X k číslu na Z" atp.

# CPU dostane
1000010010

# CPU provede
Na adresu 10000 v RAM uložím číslo 10010

Prvním krokem k jednoduššímu programování byl Assembler. Jedná se vlastně o jiný zápis binárního kódu, ale přesto je lidmi lépe stravitelný. Základní assembler ale stále umí pouze těch pár příkazů, kterým rozumí i procesory, a nic navíc.

# Assembler
MOV A7 B6D

# CPU dostane
1001110010100

# CPU provede
Na adresu 1001 v přesunu číslo z adresy 1100

Nakonec se přišlo na to, že nejlepší bude psát kód v jazycích, které jsou lidem příjemné, a pak ho nechat přeložit do něčeho, čemu bude rozumnět procesor.

# Pyret
x = 18

# CPU dostane
1000010010

# CPU provede
Na adresu 10000 v RAM uložím číslo 10010

Tyto překladače se dělí na dva základní druhy: kompilátory a interpretry. Jeden jazyk může být překládaný oběma způsoby — kompilace ani interpretace nejsou vlastnosti jazyka jako takového. Dokonce může pro jeden jazyk existovat několik konkurenčních kompilátorů či interpreterů s různými funkcemi.

Kompilátory

Kód se přeloží ještě na počítači programátora, uživatelům se posílají už přeložené soubory.

Výhody

  1. Uživatel nemá přístup ke zdrojovému kódu
  2. Kompilátor má hodně času (zdržuje vlastně jen programátora), takže má čas dělat různé chytré optimalizace

Nevýhody

  1. Kompilace trvá dlouho
  2. Je nutné kompilovat (= překládat) program několikrát, protože různé CPU chápou příkazy různě a tak jeden přeložený soubor nepoběží na všech CPU

Příklady typicky kompilovaných jazyků

  1. Java, C#
  2. C, C++
  3. Haskell

Interpretry

Kód je přeložen až na uživatelově počítači, každý uživatel musí mít vlastní interpreter.

Výhody

  1. Programátor se nemusí o nic moc starat, prostě uživateli pošle zdroják a nechá zbytek práce na jeho interpreteru
  2. Interpretované jazyky bývají více "interaktivní" (vyzmětě Pyretův Interactions window)

Nevýhody

  1. Uživatel má přístup ke zdrojovému kódu
  2. Protože se program překládá až při samotném spuštění, dochází k drobném zpoždění při jeho spouštění
  3. Interpreter nemá tolik často na optimalizace jako komilátor, takže samotný program většinou běží trochu pomaleji, než kdyby byl kompilovaný

Příklady typicky interpretovaných jazyků

  1. Python
  2. Pyret
  3. Ruby
Napsat překladač, který by překládal váš jazyk až do binárního kódu (nebo assembleru) je velmi složité. Proto se často jazyky překládají ne do assembleru, ale do jiných jazyků, které jsou poté kompilovány vlastními už existujícími kompilátory. Jedním z takových jazyků je i Pyret, který je tzv. transpilovaný do Javascriptu.

High-level a low-level jazyky

Jazyky se neliší pouze tím, zda jsou (typicky) kompilované či interpretované. Liší se i svou "vyjadřovací silou": například assembler chápe jen pár primitivních příkazů, zatímco jazyky jako Pyret toho umí mnohem více. Tato vlastnost by se také dala popsat jako "míra abstrakce"; vyjadřuje, jak "daleko" jste od procesoru, neboli jak málo se musíte starat o to, jak reálně počítač, který spouští váš jazyk, funguje.

Všechny jazyky bychom mohli seřadit na spektru od těch nejblíže procesoru (doslova "close to the metal"), až po ty abstraktní.

  1. Assembler je velice low-level. Máte hodně svázané ruce, všechny své algoritmy a programy musíte vyjadřovat pomocí několika málo příkazů. Všechno děláte ručně.
  2. Jazyky jako C a C++ jsou hodně low-level, ale ne tolik jako assembler. Dovolují vám přímo manipulovat s pamětí, což je potenciálně nebezpečné, ale usnadňuje to práci vývojářům her a dalších performance-sensitive systémů.
  3. Jazyky jako Pyret nebo Haskell jsou hodně high-level. Dobře se v nich pracuje, většinou můžete své myšlenky bez větších úprav rovnou zapisovat do kódu. O většinu věcí se postarají samy.

Ve všech jazycích je možné nakódit stejné věci, ale různé věci se budou v různých jazycích dělat různě dobře. Časem najdete jazyk, který vám bude nejvíce vyhovovat — nejspíše bude blízko té high-level části spektra — a v něm budete psát většinu svých osobních projektů. Pouze když budete potřebovat něco extra rychlého, nebo nějakou extra knihovnu, která ve vašem jazyce není, sáhnete po něčem vhodnějším.